高速铁路软土地基处理技术研讨铁道工程毕业论文.docx

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高速铁路软土地基处理技术研讨铁道工程毕业论文

毕业论文

（2013届）

论文题目：

高速铁路软土地基处理技术研讨

姓名：

系（院）：

铁道工程系

专业名称：

铁道工程

指导老师：

2013年07月03日

中文摘要

　　高速铁路路基工程中经常会遇到软土问题，处理的质量与选择的方法将直接影响到轨道结构的稳定性与安全使用，因此软土地基的处理技术对高速铁路建设十分重要。

本论文首先阐述了一般软土地基的处理方法，尤其是兰新高速铁路软土地基的特点，对目前常用的软土地基处理方法以及新技术进行总结，然后提出适合兰新高速铁路软土地基处理的方法，并发展和提出了高速铁路软土地基处理的新技术，对兰新高速铁路软土地基常用的处理方法及其施工工艺进行详细介绍。

关键词：

软土高速铁路特征地基处理

Englishabstract

High-speedrailwaysubgradeengineeringofsoftsoilweoftenencounterproblemsandhandlequalityandchoicemethodswilldirectlyaffectthestabilityoftrackstructure,sowithsafeuseofsoftsoilfoundationtreatmenttechnologyisveryimportantforhigh-speedrailwayconstruction.Thispaperfirstlyexpoundsthegeneralofthesoftsoilfoundationtreatmentmethod,especiallylanzhou-xinjianghigh-speedrailway,thesoftsoilfoundationforthecommoncharacteristicsofsoftsoilfoundationtreatmentmethodsandnewtechnologywassummarized,andthenproposedsuitsthelanzhou-xinjianghigh-speedrailwayprocessingmethodofsoftsoilfoundationanddevelopmentandproposedhigh-speedrailwayofsoftgroundtreatmentofthenewtechnology,highspeedrailwaylanzhou-xinjiangsoftroadbedcommonlyusedtreatmentandconstructiontechnologywereintroducedindetail.

Keywords：

SoftsoilHigh-speedrailwayfeaturesFoundationtreatment

中文摘要-1-

英文摘要-2-

1.软土地基的概念及特征-4-

2.软基的破坏形式-4-

3.一般软土地基处理方法分类、特点及应用范围-5-

3.1换填垫层法-5-

3.2深层密实法-6-

3.3置换法-6-

3.4排水固结法-6-

3.5化学加固法-7-

3.6加筋土法-7-

3.7砂石桩法-7-

3.8塑料排水法-9-

3.9袋装沙井法-10-

3.10真空预压法-11-

3.11其他加固法-12-

4.针对兰新高速铁路软基处理的技术方法-13-

4.1换填法-13-

4.2冲击碾压法-14-

4.3强夯法-15-

4.4挤实砂石桩-16-

4.5水泥土搅拌法-16-

5.总结与建议-18-

参考文献-20-

致谢-21-

高速铁路软土地基处理技术研讨

　　1．软土地基的概念及特征

　软土是在静水或缓慢流水环境中以细颗粒为主的近代沉积物,其天然含水量大、孔隙比大、压缩性高、承载力低、渗透性小,是一种呈软塑到流塑状态的饱和粘性土。

软土一般为含有机质的饱和土,含水量较高、孔隙比较大、渗透性较差,压缩性较高,抗剪强度低。

具有明显的结构性和流变性,具有变形量大、压缩稳定时间长、侧向变形较大等特征。

通常我们把抗剪强度低、压缩性高、透水性差以及在动力荷载作用下容易液化地基称为软土地基。

由于高速铁路轨道结构的基础修建在软土中,则此结构的地基就称为高速铁路软土地基。

　　软土作为特殊土的一种，有其独特的土力学性能：

软土的天然含水量高，一般大于30%；孔隙比大，天然孔隙比e>1；压缩系数1120.5~2α=MPa；透水性低,竖向与水平渗透性不同，一般垂直方向的渗透性系数要小些；抗剪强度低,因为软土的内摩擦角接近于零，抗剪强度主要决定于内聚力；软土具有触变性与流变性。

　　铁路在通过西北一带及沙漠戈壁地区时，常常会遇到软土地基问题，主要有路基沉降不稳定及变形过大；路基边破失稳外挤；路基基床病害等。

由于软基变形对铁路路基运营期间造成了较大的危害，它影响了行车安全，增大了线路的养护维修量。

从50年代开始，铁路工程技术人员就针对路基工程遇到的软土地基处理问题进行了大量的现场软基试验和研究。

　　经过几十年的努力，通过提高现场勘察技术和手段、采用各种新的原位测试技术和方法、应用各种软基处理新技术和新方法，使铁路路基工程遇到的软土地基处理问题得到了较好的解决。

　　2．软基的破坏形式

　　软土由于其不良的工程力学特性，对工程有极大的危害性，综合分析主要有以下几种形式：

①剪切破坏，由于地基抗剪强度不足以承受其上列车所施加的动、静荷载，造成破坏，表现为使邻近地基产生隆起；②由于软土地基的高压缩性，发生不均匀沉降，使轨道结构的基础由于应力集中出现裂缝，最终使轨道结构遭到破坏，失去其使用功能；③由于软土地基的高空隙比与高含水率，在使用中发生排水固结，发生不均匀沉降，使轨道结构下沉量过高，影响使用功能。

在工程应用实际中，由于铁路路基是承受静、动双向荷载，其受力的复杂性，决定其软土地基发生均匀沉降的可能性极小。

　　3.一般软土地基处理方法分类、特点及应用范围

　　经过长期工程实践已形成了多种形式的软土地基处理方法，如下：

　　3.1换填垫层法

　　此法处理的经济实用高度为2～3m，如果软弱土层厚度过大，则采用换填法会增加弃方与取土方量而增大工程成本。

通过换填具有较高抗剪强度的地基土，从而达到增强地基承载力的目的，满足轨道结构对地基的要求。

主要加固方法有换填、抛石挤淤、垫层、强夯挤淤几种。

垫层法根据材料的不同可分为砂（砾石）垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土（灰土、二灰）垫层。

代表方法有砂垫层法及换填法。

　　3.2深层密实法

　　适用于软土厚度>3m的中厚软土的加固，分布面积广的软基加固处理，其加固深度可达到30m。

通过振动、挤压使地基中土体密实、固结，并利用加入的具有高抗剪强度的桩体材料置换部分软弱土体中的三相（气相、液相与固相）部分，形成复合地基，达到提高抗剪强度的目的。

主要加固方法:

强夯法、土（或灰土、粉煤灰加石灰）桩法、砂桩法、爆破法、碎石桩法（振冲置换法）、石灰桩法、水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩法）、粉喷桩法、旋喷桩法。

代表方法有碎石桩法、强夯法、水泥粉煤灰碎石桩法、粉喷桩法。

　　3.3置换法

　　由于深层密实法中的几种方法都有加入高抗剪强度的材料，置换软土中部分成分的加固机理，与原有的土体共同组成复合地基，达到加固地基的目的，因此深层密实法有时也称为置换法。

　　3.4排水固结法

　　适用于处理各类淤泥、淤泥质粘土及冲填等饱和粘性土地基。

软土地基在附加荷载的作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比减小，产生固结变形。

在这个过程中，随着土体超静孔隙水压力的逐渐扩散，土的有效应力增加，并使沉降提前完成或提高沉降速度。

主要加固方法:

堆载预压法、砂井法、袋装砂井、真空预压法、电渗排水法、降低地下水位法、塑料排水板法等。

　　3.5化学加固法

　　即在软土地基中加入水泥或其它化学材料进行软土地基处理，适用于处理砂土、粉土、淤泥质粘土、粉质粘土、粘土和一般人工填土，也可以在处理裂隙岩体及已有构筑物地基加强中。

水泥或其它化学材料注入土体后，与土体发生化学反应，吸收和挤出土中部分水与空气，形成具有较高承载力的复合地基。

主要加固方法:

粉喷桩、旋喷桩、注浆、水泥土搅拌法。

　　3.6加筋土法

　　通过在路基中埋入高强度、大韧性的土工聚合物、拉筋、受力杆件或柴（木）梢排等方法加强路基的自身强度，增加抵抗地基变形沉降的能力。

适用于软弱岩体、土体中的路堤与路堑。

主要加固方法:

加筋土路基、土工聚合物、土钉墙、土层锚杆、土钉、树根桩法、柴（木）梢排法。

　　3.7砂石桩法

　　碎石桩和砂桩总称为砂石桩，又称颗粒土桩，是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂挤压入已成的孔中，形成大直径的砂石所构成的桩体。

　　3.7.1砂石桩的加固机理:

在松散砂土与粘性土中有所不同的，在松散砂土中主要是发挥砂石对软土的挤密作用、排水减压作用、和砂基预振效应，而在粘性土中主要是对软土（特别是饱合软粘土）的置换作用。

　　3.7.2方法的特点是:

加固期短，可以采用快速连续加载方法施工路堤，设备简单，工作面可以加大，对缩短工期十分有利。

　　3.7.3施工步骤主要分两大部分：

成孔→加填料密实成桩。

砂石桩法在19世纪30年代起源于欧洲，20世纪50年代引入我国后，在工业、交通、水利水电设施中得到广泛的应用，目前已形成了多种施工方法，主要有以下几种：

振冲挤密法、沉管法、干振法、钻孔锤击法、振动气冲法、强夯置换法、水泥碎石桩法、裙围碎石桩法、袋装碎石桩法等。

在实际施工中，可以根据地质条件及机具设备情况选用合适的施工方法。

　　3.7.4成桩材料要求：

选用未风化的干净碎石、砾石、矿渣、碎砖及渗水性好的中粗砂等，含泥量应≤5%～10%，碎石粒径最大应≤50m，以免桩孔或振冲器磨耗过大。

　　3.7.5施工机具：

根据选用施工方法的不同，合理选用以下几种：

振动打桩机，柴油打桩机、电动落锤、振动沉桩机、冲击成孔机、振冲器、起重设施、空气压缩机以及桩管、打桩架等。

　　3.7.6施工中常发生的质量问题及注意事项：

A.桩的施工次序一般是由里向外或一边推向另一边，有利于挤出部分软土。

对抗剪强度低的粘性土地基，为减少制桩时对原土的扰动，宜用间隔跳打的方式施工。

B.在成孔过程中应首先严格控制水压、电流和振冲器在固定深度位置的振留时间，以防缩孔、塌孔。

C.填料要分批加入，次数频繁，每次少进料，保证试桩标定的装料量。

每一深度的桩体在未达到规定的密实电流时要继续加料振实，以防断桩、缩径。

　　3.7.7质量控制:

单可采用挖开的方法检查，并在施工中做好记录控制。

施工质量的检验可以对碎（砂）石桩进行单桩荷载试验，也可采用动力触探试验，也可用标准贯入法、静力触探法检查处理前后的对比结果及桩间土的挤密效果。

整体加固效果的检验可以进行单桩复合地基和群桩复合地基的大型试验。

　　3.8塑料排水板

　　3.8.1加固原理:

塑料排水板是一种复合土工材料，由芯板和滤膜组成，其加固软土地基的机理是在软土地层中按一定的间距和布置形式打设塑料排水板，在软土中形成竖向排水通道，加速排水，特点是单孔水断面大，排水畅通、质量轻、强度高，耐久性好。

　　3.8.2适用范围:

当软土层较厚，路堤较高时，常用塑料排水板法加速固结沉降。

　　3.8.3施工方法:

插设塑料排水板→塑料排水板桩头处理→（铺设砂垫层）→路基填筑。

　　3.8.4施工用主要机械设备:

插板机主要由工作装置、驱动装置和行走装置组成。

工作装置由导向架和导管组成，导向架由角钢分段焊接，每段长6m，段与段之间用螺栓连接。

导管采用热轧无缝钢管制成。

为适应在软土中行走多采用履带式，也有轮胎式。

　　3.8.5施工注意事项:

为方便机械设备移动及排水板桩头直立，可先将地表清流水面后铺设砂垫层；为保证排水通道畅通，每根桩均采用一整条的排水板，不允许有接头，并应保持排水板不扭曲，透水膜不被撕破和污染；牵动排水板下沉的锚销与排水板连接可靠，并且锚销与导管下端口密封要严，以免泥砂进入排水板内阻塞排水通道；拔导管时应轻轻进行，以免带出排水板；打设完成后，人工扶正排水板外露的头部，并用砂土紧打管口洞口，轻拍砂土至紧密，保证桩头是直立的。

　　3.8.6插设塑料排水板质量控制:

在打设过程中，严格控制打桩机就位时导向架的垂直度，以保证桩身的垂直度，一般要求其斜度不超过深度的1.5%；因为在软土中，排水速度与距离的平方成正比，因此打设塑料排水板应严格控制平面位置，偏差位≤5cm；塑料排水板在插设过程中，若被导管带出，应在距废弃排水板附近补打。

　　3.9袋装砂井法

　　3.9.1原理:

袋装砂井是把砂装入长条形、透水性好的纺织袋内，然后用专门的机具设备打入软土地基内代替普通大直径砂井。

袋装砂井既有大直径砂井的作用，又可以保证砂井的连续性，避免缩径现象。

由于袋装砂井的直径小，材料消耗小，造价低，施工速度快，设备轻型，更适应在软弱的地基上施工。

袋装砂井适用于软土层厚度>5m，且路堤高度的自重静压超过天然地基承载力很多时，常采用袋装砂井法。

　　3.9.2材料要求:

采用聚丙烯或其他抗拉强度能保证承受砂袋自重的纺织料，装砂后砂袋的渗透系数不小于砂的渗透系数。

砂采用渗水率较高的中、粗砂，粒径>0.5mm的砂的含量宜占总量的50%以上，含泥量≤3%，渗透系数≥5×103cm/s。

采用风干砂，以免袋内砂干燥后体积减小，造成袋装砂桩缩短与排水垫层不搭接等质量事故。

　　3.9.3砂井的布置:

袋装砂井可呈矩形，梅花形布置，井径采用7～12cm的直径，井距1～2m，砂垫层厚40～50cm。

　　3.9.4工艺流程:

整平原地面→摊铺下层砂垫层→机具定位→打入套管→沉入砂袋→拔出套管→机具移位→埋砂袋头→摊铺上层砂垫层。

　　3.9.5施工注意事项:

砂井定位要准确，垂直度要正确，沉桩时用两台经纬仪“十”字交叉控制砂井位置，用锤球控制垂直度；砂袋灌入砂后，露天堆放要有遮盖，不能长时间暴晒，施工中避免砂袋挂破漏砂；砂袋入井时，用桩架吊起垂直下井，防止砂袋发生扭结、缩径、断裂和砂袋磨损；拔钢套管时，更要垂直起吊，在出现砂袋带出或损坏砂袋现象时，要在原孔边缘重新打孔施工。

连续两次将砂袋带出时，要停止施工，查明原因后再施工；砂袋露出井长度要保证伸入砂垫层至少30cm以上，要保证直立。

　　3.10真空预压法

　　3.10.1原理:

在软土地基上先施作竖向排水系统（砂井或塑料排水板），然后在加固的区域内覆盖不透气膜，利用真空源不停地对加固的土体进行抽气，使其内部形成一个近似真空的环境，土体中的孔隙水在负压作用下，沿着排水通道加速被吸出，从而达到加固的作用。

　　3.10.2真空预压法也属于排水固结类的加固范围，其排水固结作用与加载预压作用是可以相叠加的，可以加速排水，在工期紧时可以使用该法加快软土固结的速度。

适用于软土厚度大、工期紧的软土地基。

其设备与材料损耗小，可以重复使用。

　　3.10.3使用的设备材料:

真空源一般采用射流箱与离心泵组成，在加固施工中，一套真空装置应能担负1000～1200m2加固面积，覆膜采用聚乙烯或聚氯乙烯薄膜。

　　3.10.4施工注意事项:

施工时应对加固区进行分块，目前国内单块加固面积可达30000m2，一般分块面积可根据工程地基的实际情况进行考虑，以不超过真空设备的能力为准；排水系统设置要密封，以防空气进入真空区内降低加固效果；真空覆膜处理时接缝采用热合焊接，可平搭接，也可以立缝搭接，热合时根据塑料膜的材质、厚度确定热合温度、刀的压力和时间，使热合缝牢而不熔；由于覆膜的密封性是真空预压加固措施成败的关键，在铺设时一定要小心谨慎，避免划伤、刺破，膜下真空度值一般要求≥80KPa；经常检查加固的压力，当气压值超过要求值时，应及时检查原因，采取补救措施。

　　3.10.5质量控制:

本加固法成败的关键为真空度保持，因此要严格控制覆膜的密封质量及边缘的密封土施工，保证不透气。

经常检查真空度，当气压超过规定值时及时进行处理。

　　3.11其它加固方法

　　除了上述软土路基处理方法外，比较常用的还有桩基、沉井、侧向约束法、反压护道法。

　　桩基与沉井常用于在软土地基中建设重要构筑物（桥梁、大型涵洞等）的基础中，根据软弱土层的厚度其下承层土质情况，桩基设计可分为柱桩与摩擦桩两种。

常用的桩基有钻孔桩、挖孔桩、管桩、木桩。

侧向约束与反压护道的加固机理均是限制软弱土体向旁挤出，以增加路堤的抗剪能力。

侧向约束法适合软土层厚度较小，软土体面积较大的软土地基的加固。

反压护道法适合软土体分布面狭窄而软土体厚度较大的软土地基的处理。

　　4.针对兰新高速铁路软基处理的技术方法

兰新高速铁路的地基处理是利用换填、压实、挤密、胶结等方法对地基进行加固从而加强地基的工程性质。

主要表现为提高地基的抗剪强度,降低地基的压缩性,改善地基的压缩性以及改善地基的动力特性。

下面说一些兰新高速铁路常用的软土地基处理的方法。

　　4.1换填法

　　在兰新高速铁路地基处理施工过程中，当软弱土地基的承载力或形变量无法满足设计要求（如兰新高速铁路线路里程DK647+250—DK649+500段）,将基础地面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖除,然后分层换填强度较大的砂或其它性能稳定、无侵蚀性的材料,并压实至要求的密度为止,这地基处理方法称为换填法。

其还适用低洼地域筑高和堆填筑高等。

换填法的加固机理主要是利用人工、机械或其他方法将软弱土层清除,以强度较高的砂、碎石、石渣、矿渣以及其他性能稳定和无侵蚀性的材料分层置换,并夯实（或振实）至要求的密实度。

当软土厚度3m时,可全部挖除换填,而当厚度>3m时通常只采取部分挖除换填。

换填土并将土压实后,增加了土的抗剪强度和抗冲刷性能,减少其渗透性和压缩性,并减弱了它的液化势。

　　4.2冲击碾压法

　　冲击碾压是岩石工程压实技术的最新发展，冲击压路机是由牵引车带动非圆形轮滚动，多边形滚轮的大小半径产生位能落差与行驶的动能相结合沿地面对土石料进行静压、搓揉、冲击的连续冲击碾压作业。

与一般压路机相比，冲击碾压的效率可提高3—4倍。

冲击碾压一般适用于处理碎石土、沙土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土的地基处理（如兰新线路DK651+000—DK653+800段湿陷性黄土即采用此技术进行地

基处理）。

冲击碾压的设备为冲击压路机，是由3—5瓣的凸轮构成的轮式压路机，由配套的重型工业拖车牵引。

兰新铁路冲击碾压的冲击压实工艺参数一般为冲击式压路机工作质量15600kg，冲击轮质量2×5680kg；冲击轮形式为三边凸轮、最大瞬间冲击力大于250t、最佳工作速度为10—15km/h、冲击能量为25kJ、压实宽度为2×900mm、牵引车功率不小于225kw、冲击频率60—110次/min、最大爬坡坡度为25°。

　　4.3强夯法

强夯法国际上称之为动力固结法,它是20世纪60年代末、70年代初首先在法国发展起来的。

强夯法的加固机理主要是利用强夯机,将大吨位的夯锤起吊到10～40m的高度,让自由落下,对地基土施加强大的冲击能,在地基土中形成冲击波和动应力,使得孔隙水压力增大,同时土颗粒发生错位,土体骨架解体,最终使得土颗粒趋于更密实的状态。

强夯法主要适用于加固砂土和碎石土、低饱和度粉土与粘性土、素填土和杂填土等地基。

强夯法具有加固效果显著,设备简单,施工方便、节省劳力、节约材以及利于环境等特点。

如兰新高速铁路DK656+450—DK657+300即用强夯方法进行软基处理。

　　4.4挤实砂石桩

　　挤实砂石桩是以冲击、水冲或振动的方法强力将砂石等材料挤压入已成孔的软土地基中,形成较大直径的的砂石构成的密实柱体。

挤实砂石桩是利用砂石与其桩间的土体构成复合地基,增大地基承载能力,防止砂土振动液化,这种桩同时也可增强软弱黏性土的整体稳定性，如兰新高速铁路DK681+120—DK682+340段地基处理。

挤密砂石桩适用于下理松散砂土、粉土、黏土以及填土等地基。

同强夯法一样它具有施工简单、加固效果好、节省材料、工程造价低和无污染等特点,因些广泛得应用于铁路路堤、码头、仓库和住宅等工业和民用建筑物的地基处理工程。

　　4.5水泥土搅拌法（CFG桩）

水泥土搅拌法是利用水泥（或石灰）等材料作为固化剂,通过搅拌机械厂,就地将软土和固化剂（浆液或分体）强制搅拌,使得软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土,从而提高地基土的强度,并且增大其变形模量。

水泥搅拌法加固由两部分组成,一部分水泥水解和水化生成各种水化物,继续强化形成水泥石骨架,另一部分水化物与周围的黏性颗粒土发生离子交换形成较大的团粒结构,随后发生硬凝反应和碳酸化反应,使得水泥土的强度增大。

利用水泥搅拌法时,搅拌的越充分,土块粉碎越细,则水泥在土中的分布越均匀,水泥土的结构离散性越小,从而水泥土的强度越高。

兰新高速铁路DK654+180—DK654+340段地基即使用了此种处理方法，此种软基处理方法代价较高，故不适宜大面积使用。

　　5.总结与建议

　　随着国民技术的不断增强，地基处理技术发展也十分迅速，老方法得到改进，新方法不断涌现，在软土地基处理方面，公路与铁路建设中都有很多成功的实例，也不乏失败的教训。

针对这些工程中应用的经验与教训，我个人认为，在软土地基处理中应当遵循以下几条原则组织设计与施工，才能更好地达到预期的效果：

　　5.1认真进行地质调查，根据地质情况进行合适的设计与变更设计，达到预期的加固效果，避免返工处理的现象。

　　5.2在工程施工时，要充分了解各种形式的软土地基加固机理，以便针对加固机理进行有重点的质量控制，该放宽的技术指标可适当调整，以降低成本。

例如砂桩与砂井的加固机理就不同，砂桩对软土的加固作用主要是挤密作用（特别是在粘性土中），因此砂桩的数量与直径应有充分的保证，对其平面分布的均匀性可以适当放宽标准，砂井的加固机理偏重于排水固结，因此在早期砂井加固基础上，又改进形成了袋装砂井的技术，以保证砂井的均匀程度与连续性。

同属深层密实法加固的粉喷桩与旋喷桩，粉喷桩更倾向于喷粉与软弱土形成复合地基，而旋喷桩则偏重于喷体的桩作用，因此在旋喷桩设计时就充分验证其作为桩基础的力学效果。

　　5.3加强基础学科的研究，给软土地基处理技术更有力的支持。

目前国际上软土加固技术已得到较大的发展，但其理论基础还存在着不准确性与不确定性。

例如，强夯法在多处工程施工中的应用并且实测效果证明其加固效果可用，但其加固机理在土力学中还没有完全从理论方面得到证明，或部分还存在着模糊的概念；在挡护设计中经验公式的利用较多，其参数取值的不确定性还大量存在；作为土力学最基本理论的朗金定